CN116793329A - 干涉式光纤陀螺用光收发一体模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，包括光源组件、透镜组、光电探测器以及壳体。光源组件包括SLD芯片、热敏电阻和半导体制冷器；透镜组包括双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜、自聚焦透镜以及平凸透镜；双焦距双凸柱面透镜由第一柱面透镜和第二柱面透镜一体成型而成；双焦距双凸柱面透镜用于对SLD芯片发出的光束进行准直；SLD芯片发射的光依次通过双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜和自聚焦透镜；平凸透镜设置在返回光线经过分光棱镜分光后的反射光路上，光电探测器的受光面设置在平凸透镜的焦距范围之内。本发明中SLD芯片发射的光通过双焦距双凸柱面透镜准直整形后，能获得高质量的准直光束，具有耦合分光效率高、信噪比高的优点。

Description

干涉式光纤陀螺用光收发一体模块

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及干涉式光纤陀螺用光收发一体模块。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应测量角速度的惯性传感器，具有启动快、动态范围大、抗振动冲击性能好、受电磁影响小等诸多优点，其精度范围覆盖战术级、导航级到精密级。广泛应用于航空航天、自动驾驶汽车、无人机、舰船导航、机器人等领域，具有极大的发展空间和广阔的市场前景。光纤陀螺按照工作原理，可以分为干涉式光纤陀螺、谐振式光纤陀螺、受激布里渊散射光纤陀螺。干涉式光纤陀螺仪的光路结构，可以分为光源、光电探测器与光耦合器组成的光收发模块，以及Y波导与光纤环组成的敏感模块两大部分。

现有技术中用于光纤陀螺的光收发模块，主要有两种设计方案：一种方案是用于光纤陀螺仪的光器件，包括蝶形管壳，以及位于蝶形管壳内部的温控模块和光源耦合输出模块。光源耦合输出模块包括：SLD芯片、芯片载体、透镜、隔离芯、平面波导芯片、光纤阵列及N个探测器，SLD芯片固定在芯片载体上；设计平面波导芯片用于分光，SLD芯片发出的光依次经过透镜和隔离芯后，进入平面波导芯片上作为输入端的第一端面的第一端口，光探测器对应连接平面波导芯片第一端面除第一端口以外的其它端口。该方案制作平面波导芯片，存在加工精度要求高、生产工艺复杂的难点。

另一种方案是单一透镜的小型化光收发一体模块，包括光源、探测器、非球面透镜。光源为超辐射发光二极管光源；设计非球面透镜实现汇聚光源出射光束以及耦合分光，非球面透镜的前端面为聚焦透镜，后端面为镀有半透半反膜的倾斜端面。根据非球面透镜的折射率、光源与尾纤端面之间的距离确定聚焦透镜的前端面的焦距，使得光源输出的发散光能够汇聚到尾纤的端面，并在尾纤的接收孔径之内。精确计算倾斜端面的倾斜角，以满足在不发生全反射的同时能够将光源透射光束与从尾纤中返回光束的反射光束分离开的要求。需要改进的是，该方案未对SLD芯片发射的光束进行准直整形。

发明内容

本发明的目的是提出干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，解决背景技术中制作平面波导芯片存在的加工精度要求高、生产工艺复杂的难点，以及单一透镜的小型化光收发一体模块未对SLD芯片发射的光束进行准直整形的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，包括光源组件、透镜组、光电探测器以及壳体；

所述光源组件包括SLD芯片、热敏电阻和半导体制冷器；

所述透镜组包括双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜、自聚焦透镜以及平凸透镜；

所述双焦距双凸柱面透镜由第一柱面透镜和第二柱面透镜一体成型而成；双焦距双凸柱面透镜用于对SLD芯片发出的光束进行准直，其中：双焦距双凸柱面透镜的第一柱面透镜用于对垂直面内发散角较大的光束进行准直，双焦距双凸柱面透镜的第二柱面透镜用于对水平面内发散角较小的光束进行准直；

SLD芯片发射的光依次通过双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜和自聚焦透镜，所述双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜、自聚焦透镜的主光轴在同一直线上；所述光收发一体模块通过自聚焦透镜与光纤尾纤连接，实现光收发一体模块以及由Y波导与光纤环组成的光纤陀螺敏感模块之间光的交互；

所述平凸透镜设置在返回光线经过分光棱镜分光后的反射光路上；所述光电探测器的受光面设置在平凸透镜的焦距范围之内；从光纤陀螺敏感模块返回的光线通过自聚焦透镜转变成平行光，平行光经过分光棱镜分光后的反射光，从平凸透镜的凸面入射后由光电探测器接收；

所述壳体的内壁成型有阶梯结构的光源基座和耦合分光基板，光源基座为上载物面，耦合分光基板为下载物面；所述SLD芯片和热敏电阻通过热沉安装在半导体制冷器上，所述半导体制冷器焊接固定在光源基座上；所述双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜、平凸透镜和光电探测器都设置在耦合分光基板上；

所述壳体还包括若干个管脚，所述管脚用于连接外部电路与所述SLD芯片、所述热敏电阻、所述半导体制冷器、所述光电探测器。

进一步地，所述双焦距双凸柱面透镜采用U型槽支架安装固定在耦合分光基板上。

进一步地，所述双焦距双凸柱面透镜的两个凸面均镀有增透膜。

进一步地，所述分光棱镜的透射反射分光比为50%：50%；分光棱镜的入射面、出射面均镀有增透膜。

进一步地，所述分光棱镜通过固定座焊接在耦合分光基板上。

进一步地，所述平凸透镜的平面、凸面均镀有增透膜。

进一步地，所述平凸透镜、光电探测器分别安装在固定套管的两端，所述固定套管通过支架焊接在耦合分光基板上。

进一步地，所述自聚焦透镜安装在光纤准直器镀金管内，所述光纤准直器镀金管焊接在壳体的尾孔内。

进一步地，所述热沉为氮化铝陶瓷基板。

进一步地，所述外部电路包括自动温控电路、恒流驱动电路和信号处理电路；所述自动温控电路、恒流驱动电路都设置在电路板上；所述热敏电阻、半导体制冷器都与自动温控电路连接，所述恒流驱动电路与SLD芯片连接，所述光电探测器与信号处理电路连接。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

1、SLD芯片发射的光束通过双焦距双凸柱面透镜准直整形后，能获得高质量的准直光束，具有耦合分光效率高、信噪比高的优点。

2、相对于设计平面波导芯片用于分光的技术方案，本发明采用分光棱镜进行分光，分光后采用自聚焦透镜实现准直光束与光纤尾纤的高精度耦合，避免了制作平面波导芯片存在的加工精度要求高、生产工艺复杂的难点。

附图说明

图1是本发明的干涉式光纤陀螺用光收发一体模块内部的结构示意图；

图2是本发明的干涉式光纤陀螺用光收发一体模块的光路示意图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1-图2所示，本发明提出的干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，包括光源组件、透镜组、光电探测器以及壳体。

所述光源组件包括SLD芯片1、热敏电阻2和半导体制冷器3。SLD芯片1因其输出功率高、相干性好、发射谱宽、体积小和重量轻等优点，成为光纤陀螺的常用光源。SLD芯片1发射的光束在水平面内和垂直面内具有不同的发散角，并且形成的光斑是椭圆形的。所述热敏电阻2为负温度系数热敏电阻，热敏电阻2用来敏感SLD芯片1的温度变化。SLD芯片1和热敏电阻2通过热沉安装在半导体制冷器3上，所述半导体制冷器3用来保持SLD芯片1的温度恒定。可选的，所述热沉为氮化铝陶瓷基板。本实施例中，SLD芯片1用锡焊工艺固定在氮化铝陶瓷基板上，氮化铝陶瓷基板用烧焊工艺固定在半导体制冷器3上。

所述透镜组包括双焦距双凸柱面透镜4、分光棱镜5、自聚焦透镜6以及平凸透镜7。

所述双焦距双凸柱面透镜4由第一柱面透镜41和第二柱面透镜42一体成型而成。双焦距双凸柱面透镜4用于对SLD芯片1发射的光束进行准直，其中：双焦距双凸柱面透镜4的第一柱面透镜41用于对垂直面内发散角较大的光束进行准直，双焦距双凸柱面透镜4的第二柱面透镜42用于对水平面内发散角较小的光束进行准直。SLD芯片1发射的光束，通过双焦距双凸柱面透镜4后被准直整形成圆形光斑。

SLD芯片1发射的光束通过双焦距双凸柱面透镜4之后，根据高斯光束的传播规律和远场发散角定义，经过计算光束在水平面内和垂直面内的束腰半径，得到两处圆形光斑的位置，从而确定双焦距双凸柱面透镜4的放置位置。

根据透镜所用材料的折射率、焦距与曲率半径之间的关系，经过计算后能得到双焦距双凸柱面透镜4的第一柱面透镜41、第二柱面透镜42的曲率半径。可选的，所述双焦距双凸柱面透镜4的两个凸面均镀有增透膜。

SLD芯片1发射的光依次通过双焦距双凸柱面透镜4、分光棱镜5和自聚焦透镜6，所述双焦距双凸柱面透镜4、分光棱镜5、自聚焦透镜6的主光轴在同一直线上。

本发明的干涉式光纤陀螺用光收发一体模块采用分光棱镜5进行分光。可选的，所述分光棱镜5的透射反射分光比为50%：50%，在实际运用中还可以选择其它分光比，此处不作限定。可选的，分光棱镜5的入射面、出射面均镀有增透膜。

自聚焦透镜6又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜，具有聚焦和成像功能。自聚焦透镜6能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。当汇聚光从自聚焦透镜6一端面输入时，经过自聚焦透镜6后会转变成平行光线。

所述光收发一体模块通过自聚焦透镜6与光纤尾纤连接，实现光收发一体模块以及由Y波导与光纤环组成的光纤陀螺敏感模块之间光的交互。所述自聚焦透镜6安装在光纤准直器镀金管内，所述光纤准直器镀金管焊接在壳体的尾孔内。

平凸透镜7设置在返回光线经过分光棱镜5分光后的反射光路上。可选的，所述平凸透镜7的平面、凸面均镀有增透膜。

所述光电探测器8采用PIN光电二极管，所述PIN光电二极管用于将光信号转换为电流信号。PIN光电二极管与前置放大器连接，前置放大器将电流信号放大并且转换为电压信号。光电探测器8的受光面设置在平凸透镜7的焦距范围之内；从光纤陀螺敏感模块返回的光线通过自聚焦透镜6转变成平行光，平行光经过分光棱镜5分光后的反射光，从平凸透镜7的凸面入射后由光电探测器8接收。

所述壳体9的内壁成型有阶梯结构的光源基座10和耦合分光基板11，光源基座10为上载物面，耦合分光基板11为下载物面。所述SLD芯片1和热敏电阻2通过热沉安装在半导体制冷器3上，所述半导体制冷器3焊接固定在光源基座10上；所述双焦距双凸柱面透镜4、分光棱镜5、平凸透镜7和光电探测器8都设置在耦合分光基板11上。

本实施例中，双焦距双凸柱面透镜4采用U型槽支架43安装固定在耦合分光基板11上；所述分光棱镜5用胶粘贴在固定座51上，固定座51焊接在耦合分光基板11上。所述平凸透镜7、PIN光电二极管分别安装在中空套管71的两端，平凸透镜7采用定位环固定在中空套管71的一端，光电探测器8采用螺钉固定在中空套管71的另一端。所述中空套管71通过支架焊接在耦合分光基板11上。

所述壳体9还包括若干个管脚，所述管脚用于连接外部电路与所述SLD芯片1、所述热敏电阻2、所述半导体制冷器3、所述光电探测器8。

所述外部电路包括自动温控电路、恒流驱动电路和信号处理电路；所述自动温控电路、恒流驱动电路都设置在电路板上；所述热敏电阻2、半导体制冷器3都与自动温控电路连接，所述恒流驱动电路与SLD芯片1连接，所述光电探测器8与信号处理电路连接。自动温控电路驱动半导体制冷器3制冷或加热，从而控制和稳定SLD芯片1的温度。恒流驱动电路为SLD芯片1提供恒定的驱动电流，保证SLD芯片1输出光功率和中心波长的稳定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的实质范围内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：包括光源组件、透镜组、光电探测器以及壳体；

所述光源组件包括SLD芯片、热敏电阻和半导体制冷器；

所述透镜组包括双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜、自聚焦透镜以及平凸透镜；

所述双焦距双凸柱面透镜由第一柱面透镜和第二柱面透镜一体成型而成；双焦距双凸柱面透镜用于对SLD芯片发出的光束进行准直，其中：双焦距双凸柱面透镜的第一柱面透镜用于对垂直面内发散角较大的光束进行准直，双焦距双凸柱面透镜的第二柱面透镜用于对水平面内发散角较小的光束进行准直；

SLD芯片发射的光依次通过双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜和自聚焦透镜，所述双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜、自聚焦透镜的主光轴在同一直线上；所述光收发一体模块通过自聚焦透镜与光纤尾纤连接，实现光收发一体模块以及由Y波导与光纤环组成的光纤陀螺敏感模块之间光的交互；

所述平凸透镜设置在返回光线经过分光棱镜分光后的反射光路上；所述光电探测器的受光面设置在平凸透镜的焦距范围之内；从光纤陀螺敏感模块返回的光线通过自聚焦透镜转变成平行光，平行光经过分光棱镜分光后的反射光，从平凸透镜的凸面入射后由光电探测器接收；

所述壳体的内壁成型有阶梯结构的光源基座和耦合分光基板，光源基座为上载物面，耦合分光基板为下载物面；所述SLD芯片和热敏电阻通过热沉安装在半导体制冷器上，所述半导体制冷器焊接固定在光源基座上；所述双焦距双凸柱面透镜、分光棱镜、平凸透镜和光电探测器都设置在耦合分光基板上；

所述壳体还包括若干个管脚，所述管脚用于连接外部电路与所述SLD芯片、所述热敏电阻、所述半导体制冷器、所述光电探测器。

2.根据权利要求1所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述双焦距双凸柱面透镜采用U型槽支架安装固定在耦合分光基板上。

3.根据权利要求2所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述双焦距双凸柱面透镜的两个凸面均镀有增透膜。

4.根据权利要求1所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述分光棱镜的透射反射分光比为50%：50%，分光棱镜的入射面、出射面均镀有增透膜。

5.根据权利要求4所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述分光棱镜通过固定座焊接在耦合分光基板上。

6.根据权利要求1所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述平凸透镜的平面、凸面均镀有增透膜。

7.根据权利要求1所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述平凸透镜、光电探测器分别安装在固定套管的两端，所述固定套管通过支架焊接在耦合分光基板上。

8.根据权利要求1所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述自聚焦透镜安装在光纤准直器镀金管内，所述光纤准直器镀金管焊接在壳体的尾孔内。

9.根据权利要求1所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述热沉为氮化铝陶瓷基板。

10.根据权利要求1所述干涉式光纤陀螺用光收发一体模块，其特征在于：所述外部电路包括自动温控电路、恒流驱动电路和信号处理电路；所述自动温控电路、恒流驱动电路都设置在电路板上；所述热敏电阻、半导体制冷器都与自动温控电路连接，所述恒流驱动电路与SLD芯片连接，所述光电探测器与信号处理电路连接。